GH4169镍基合金涡轮盘集成锻造的模拟分析

石昌帅; 汪银林; 祝效华; 高林; 李蓬川; 刘胜涛

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505362

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (27) :11705-11713 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505362

矿冶工程

GH4169镍基合金涡轮盘集成锻造的模拟分析

石昌帅 ¹^,² ,
汪银林 ¹^,² ,
祝效华 ¹^,²^,^* ,
高林 ³ ,
李蓬川 ⁴ ,
刘胜涛 ³

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Simulation Analysis of Integrated Forging of GH4169 Nickel-based Alloy Turbine Disk

SHI Chang-shuai ¹^,² ,
WANG Yin-lin ¹^,² ,
ZHU Xiao-hua ¹^,²^,^* ,
GAO Lin ³ ,
LI Peng-chuan ⁴ ,
LIU Sheng-tao ³

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摘要

传统锻造工艺难以实现涡轮盘复杂几何形状与组织性能的同步优化,亟需通过集成锻造技术达成“成形-成性”一体化制造。以GH4169镍合金涡轮盘为研究对象,借助有限元软件的集成模块对锻件成形全过程展开集成模拟,深入分析了温度场、应变场与微观组织的多尺度耦合作用机制。研究表明:锻件集成模拟更全面地考量了成形过程中各工序的重要性,揭示了不同工序下锻件的成形特性;模锻件的集成模拟方法为优化锻件成形工艺提供了更精准的实验依据与理论参考。

Abstract

The traditional forging process is difficult to coordinate the synchronous optimization of the complex geometry and microstructure of the turbine disk, and it is urgent to realize the “ forming-forming ”integrated manufacturing through integrated forging technology. GH4169 nickel alloy turbine disk was taken as an example, and the integrated simulation of the whole process of forging forming was realized by means of the integrated module in the finite element software. The multi-scale coupling mechanism of temperature field, strain field and microstructure was analyzed. The result shows that the integrated simulation of forgings considers the importance of each process in the forging forming process more comprehensively, and reveals the characteristics of forging forming under different processes. The integrated simulation method of die forgings provides a more accurate experimental and theoretical reference for optimizing the forming process of forgings.

Graphical abstract

关键词

GH4169合金 / 涡轮盘 / 集成锻造 / 模拟分析

Key words

alloy GH4169 / turbine disk / integrated forging / simulation analysis

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石昌帅, 汪银林, 祝效华, 高林, 李蓬川, 刘胜涛. GH4169镍基合金涡轮盘集成锻造的模拟分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(27): 11705-11713 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505362

SHI Chang-shuai, WANG Yin-lin, ZHU Xiao-hua, GAO Lin, LI Peng-chuan, LIU Sheng-tao. Simulation Analysis of Integrated Forging of GH4169 Nickel-based Alloy Turbine Disk[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(27): 11705-11713 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505362

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近年,在德国工业4.0理念引领与中国制造2025战略深度推动下,中国热模锻压力机技术实现跨越式发展,智能化、大型化装备的研发与应用成效显著^[1],航空装备制造业由此驶入高质量发展的快车道。随着航空装备需求爆发式增长,对高性能核心部件的可靠性与耐久性要求持续攀升。GH4169(Inconel 718)镍基高温合金凭借其在高温条件下的优异性能,已成为航空发动机涡轮盘的核心材料^[2-4]。涡轮盘需在650~750 ℃的极端工况下长期稳定工作^[5],其微观组织(如动态再结晶晶粒、γ″强化相分布)的均匀性与稳定性,直接决定构件的疲劳寿命与可靠性。

GH4169合金是一种以体心四方Ni3Nb(γ″)和面心立方Ni3(Al,Ti,Nb)(γ')析出相强化的镍-铬-铁基变形高温合金^[6],由该合金制备的锻件,即便处于高温环境,仍能展现出高强度等卓越的机械性能^[7-8]。GH4169的力学性能对晶粒尺寸高度敏感,而晶粒尺寸受锻造温度和应变速率调控^[9-10]。锻造工艺作为调控合金组织性能的关键途径,其工艺参数的差异会显著影响合金的晶粒大小,同时改变沉淀强化相的形貌、含量与分布状态^[11]。鉴于此,众多学者围绕GH4169合金在锻造成形过程中的组织演变规律展开深入研究。Chen等^[12]的研究揭示了新型两阶段退火工艺(时效处理与冷却再结晶退火的组合工艺)中,变形参数对合金微观组织演化进程的影响机制;郑建军等^[13]通过实验证实,在GH4169高温合金的热处理工艺中,析出相的生成有助于提升材料的屈服强度,而高温固溶处理会加快δ相溶解并加剧粗化,进而削弱细晶强化对材料性能的积极作用;回丽等^[14]采用激光技术对GH4169合金进行标刻处理,揭示了激光标刻后合金的高周疲劳性能与断裂机理;崔文明等^[15]经实验发现,该合金在550 ℃时效处理时组织结构较为稳定,但在650 ℃和700 ℃的高温环境下,γ″相和δ相会发生粗化与相变,最终对合金性能产生不利影响;张莹等^[16]对4种不同扫描策略下IN718合金基体沉积IN718合金粉末的过程进行数值模拟,发现异侧往复扫描方式可有效降低残余应力并减小变形;王冠强等^[17]通过优化成形锻件的单/双级退火工艺,提出了细化锻造混晶组织的热处理方法;Chen等^[18]开展了多工艺耦合热成形过程中合金微观组织动态演化规律的定量表征,阐明了δ相与动态再结晶成核的相互作用机制;吕达等^[19]验证了均质化工艺可减轻枝晶偏析,高锻造比(≥3)可改善混晶,中温形变热处理工艺能提升合金综合性能;Wang等^[20]通过模拟与实验研究了轴向镦粗和轴向旋转锻造引起的GH4169合金变形特征与微观组织演变,揭示了低温下高应变在退火过程中诱导静态再结晶的机理。

目前,研究者多采用传统单一工序模拟开展研究,然而这种方式难以协调锻件几何形状与组织性能的同步优化,因此亟需通过集成锻造技术实现“成形-成性”一体化制造。为此,构建锻件模锻成形全流程的集成模拟体系,进行锻件成形与成性过程的动态耦合仿真;系统揭示温度场、应变场与微观组织的多尺度耦合作用机制,明确各工序对晶粒长大、动态再结晶的影响规律,对工序间衔接影响进行分析;建立基于全流程数据的工艺优化方法,为精准调控锻件组织性能、降低成形缺陷提供全新技术路径。

1 GH4169材料的实验方法及结果

选用GH4169合金铸锭作为实验材料,其具体化学成分如表1所示。压缩试样的尺寸为Φ8 mm×12 mm的棒材,借助Gleeble-3500热/力模拟试验机开展等温压缩实验,其详细的实验全过程如图1所示。由于GH4169合金适宜的热加工温度区间为900~1 120 ℃^[21],故将试样的变形温度设置在区间内,变形温度、应变速率各设5组,共计25种不同的实验条件,相同实验条件下重复3次,降低实验数据的误差和偶然性。

1.1 应力-应变曲线的分析

基于图2所示的应力-应变曲线特征分析,在热变形初始阶段,压缩应力随应变的增加呈指数增长。位错间的交互作用导致缠结结构形成,该过程增加位错滑移的晶格阻力,引发显著的加工硬化效应,表现为流变应力值的快速增加。随着继续变形,材料内能累积突破热力学平衡阈值,进入非稳态变形区间,此时热激活能显著增强,为位错攀移与交滑移提供驱动力,诱发动态回复(dynamic recovery,DRV)与动态再结晶(dynamic recrystallization,DRX)的协同软化机制,消除位错塞积与晶界迁移,实现应力松弛,最终导致流变应力曲线呈现软化特征。

在特定温度条件下,提升应变速率会增加单位时间内的塑性变形程度和位错数量,从而推动应力峰值的上升,并在随后阶段显现出更明显的软化趋势。而在相同应变速率下,温度越高,材料的塑性变形能力越强,因此在相同应变条件下所对应的应力值会相对较低。值得指出的是,当应变速率为1 s^-1时,其应力-应变曲线在压缩后期出现了应力回升的现象,这表明在该条件下,后期的加工硬化效应占据主导地位,而软化过程未能充分发挥作用进行有效抵消。

1.2 本构模型的建立

基于材料热变形行为的多场耦合特征分析,采用Arrhenius型本构方程来描述热变形参数的非线性交互作用机制^[22]。为系统表征热变形过程中温度补偿应变速率因子对材料塑性流动特性的协同调控效应,引入温度修正的应变速率因子Z(Zener-Hollomon)。将热压缩实验中获得的数据,进行多元非线性回归分析处理,构建材料的本构模型,其具体表达式为

(1)$\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}$=2.489 58×10²¹[sinh(0.004 2σ)]⁴^.^{457 5}×exp$\left(-\frac{592\mathit{ }906.5}{\mathit{R}\mathit{T}}\right)$

用参数Z可表示为

(2) $\begin{array}{c} \sigma=\frac{1}{0.0042} \ln \left\{\left(\frac{Z}{2.48958 \times 10^{21}}\right)^{1 / 4.4575}+\right. \\ \left.\left[\left(\frac{Z}{2.48958 \times 10^{21}}\right)^{2 / 4.4575}+1\right]^{1 / 2}\right\} \end{array}$

式中:

$\stackrel{·}{\mathit{\epsilon }}$

为应变速率;σ为应力;R为气体常数,其值为8.314 J/(mol·K);T为变形温度;Z为温度修正的应变速率因子。

基于GH4169镍基高温合金的热变形行为特征分析,其微观组织演化机制主要包含动态再结晶(DRX)、亚动态再结晶(metadynamic recrystallization, MDRX)及热变形后晶粒长大(grain growth,GG)。本文中采用合金的微观组织演化模型如表2所示^[23]。

2 有限元模型建立与仿真分析

2.1 涡轮盘成形的模拟过程与方法

GH4169合金涡轮盘为航空发动机的重要构件,其几何结构和尺寸如图3所示,锻件尺寸较大,为避免锻造应力集中,尺寸图曲线部分均为大圆弧过渡。

通过有限元软件中集成模块,实现对锻件成形过程中热传、热模锻等工序的集成模拟。锻件成形过程中,先预热坯料至目标温度,再将坯料转移至模具上,上模具以一定的速度压缩坯料,后冷却至室温,成形后的预锻件通过换模和重复操作即可得到所需的成形锻件,整个模块流程如图4所示,锻件由镦粗和模锻两步成形,共包含8道工序,后续工序的模拟都是在上一步工序完成的基础上继续进行的。锻造工艺参数为:模锻过程中的初始坯料尺寸为φ40 mm×430 mm的合金棒料,材料的平均晶粒度为32 μm^[24];镦粗和模锻过程的预热目标温度分别为950、1 000 ℃;锻造前转移至模具的时间均为2 min;模具温度均为300 ℃,热摩擦系数为0.3;镦粗和模锻成形过程中模具的下压速度分别为10、8 mm/s,锻后空冷至室温。

2.2 镦粗成形模拟

高温下GH4169材料物理性能稳定^[25-26],晶粒基本不长大,所以预热阶段从600 ℃升温开始模拟。坯料内温度变化情况如图5所示,由于坯料体积较大,热量传递到中心处的时间较长,预热过程中坯料存在较大的温度差,最大温差为154.8 ℃。在经过约9 000 s加热后坯料热透,坯料各处温度达到一致。取棒料中心纵截面上边缘处一点P₁,再连续水平间距30 mm取下点P₂、P₃,结点晶粒尺寸和温度变化的关系如图6所示;在坯料温度到达预设目标温度附近时,结点处发生了明显的晶粒长大现象,由于结点的温差较小,各点晶粒尺寸差别不大。当坯料热透,到达预热目标温度后,晶粒仍然存在较大的长大趋势。预热过程中平均晶粒尺寸由32 μm增加至53.5 μm,增大了67.2%。综上所述,建议涡轮盘预热时间为1.5 h,保温时间1 h,满足坯料达到预热目标的同时,有效控制晶粒尺寸的长大。

将预热过程后的数据模型导入后续的模拟中,模拟坯料转移至模具的过程。此过程中坯料将会与环境发生热交换,坯料前后温度变化趋势如图7所示。由图7可知,热量由坯料内部向外进行传递、扩散,坯料中心内部温度维持在950 ℃,而表面温度变化较大,最低温度为829 ℃。坯料边缘处结点P₁的降温最为明显,内部结点P₂由于散热缓慢,温度变化幅度较小。缩短坯料转移至模具的时间,有效防止后续锻造过程中坯料边缘处因温度低而造成的开裂缺陷。

镦粗过程中,模具向下行程为270 mm,行程速度为10 mm/s。如图8所示,集成模拟中镦粗过程模型的晶粒尺寸场和温度场均是延续上一步工序完成后的模型,贴近实际生产情况。镦粗过程中,由于塑性变形功转换为热能、摩擦生热等多种因素的作用,造成锻件内部温度的升高,最高温度由949 ℃温度升高至991 ℃。坯料晶粒尺寸发生了不同程度的细化再结晶过程,晶粒再结晶过程主要发生在饼坯内部,由于内部材料流动性高,再结晶更充分。如图9所示,在变形过程中,各节点发生不同程度的细化再结晶,原始晶界附近发生了明显的形核和生长现象;边缘结点P₁处材料流动性低,晶粒尺寸变化不明显;越靠近锻件中心处晶粒细化程度越高、再结晶越充分,P₃结点的晶粒尺寸由53.5 μm降低至27.1 μm,晶粒尺寸减小49%。

完成镦粗过程后,将成形饼坯置于空气中冷却。如图10所示,在饼坯中心半径上等间距取5个结点。结合饼坯的晶粒尺寸场和结点的晶粒尺寸变化曲线来看,饼坯各个部位的晶粒尺寸在初始、短时间段的降温过程中发生了不同形式的变化,后续长时间过程的内晶粒尺寸趋近稳定。边缘处的结点P₁、P₂,由于冷却速度快,晶粒的长大受到抑制,再结晶的继续发生,造就了该结点处晶粒尺寸减小的特征。结点P₄、P₅处晶粒的长大趋势更强,晶粒尺寸增大,主要是因为锻件体积较大、锻后温度较高,中心处散热缓慢,冷却所需的时间较长,从而为锻件中心部位晶粒的长大提供了合适的条件。在传统的单一锻造模拟中不会考虑该过程的晶粒变化,通过集成模拟可发现,该过程对锻件成形效果有着重要的影响,不该被忽视。

2.3 模锻成形模拟

将镦粗过程中成形的饼坯模型导入后续的模拟工序中,重复镦粗过程中锻件的预热和转移过程的模拟。其模拟结果与前阶段相似,如图11、图12所示;预热阶段从600 ℃开始模拟,越靠近锻件内部温差越小,经约9 000 s后到达预热目标温度。在转移至模具的过程中,表面结点P₁的温度变化幅度较大,约70 ℃;内部结点P₃、P₄、P₅温度基本不变,最终锻前饼坯的温度分布如云图所示,呈阶梯分布,最低温度为897 ℃。锻件晶粒尺寸在预热过程中发生较大变化,如图13所示,经过镦粗成形后饼坯各节点晶粒尺寸存在明显的差异;饼坯晶粒整体尺寸呈增大趋势,中心位置晶粒尺寸长大最为显著;初始时中间结点P₅处晶粒尺寸最小,但在预热过程中晶粒尺寸的长大幅度最大,晶粒尺寸由11.2 μm长大至28.2 μm,尺寸增加了152%。因而通过降低预热过程和转移过程的时间是减小锻件晶粒尺寸、提高锻件性能的重要途径。

将上述工序模拟完成后的模型导入后续模锻模拟中。如图14所示为模锻后锻件的温度场和应变场。模锻工序后锻件与模具接触上下表面的温度较低,锻件内部的温度最高,在多种能量的转化下最高温度提升了约40 ℃,造成锻后锻件的较大温差。锻件内的应变梯度为2.8,其中心轮轴上下表面部位A、上下轮毂部位C和轮缘部位E不易变形,应变值小;而辐板中心部位D和曲面过渡部位B变形量大,应变值高。

基于涡轮盘锻件热变形过程的微观组织分布特征分析,如图15所示为再结晶体积分数场与晶粒尺寸场的空间分布规律。结合锻件应变场分布特征,可发现应变值与晶粒尺寸呈负相关关系。轮盘中心轴向表面区域A及轮毂过渡区C因塑性变形量不足(等效应变<1.6),动态再结晶进程受阻,晶粒尺寸维持在32~47 μm;轮缘部位E的应变水平(等效应变0.9~2)稍高于轴向区域,晶粒尺寸细化至16.5~27.9 μm;而辐板中心区D与曲面过渡区B承受高应变载荷(等效应变>2.3),动态再结晶驱动力显著增强,晶粒尺寸显著细化至5~12.6 μm,表现出典型的应变诱导晶粒细化特征。

最终阶段将完成模锻成形的涡轮盘锻件置于环境空气中进行自然冷却。以终锻态(即模锻工艺完成后的组织状态)作为初始条件,空冷后锻件各部位结点晶粒尺寸变化曲线如图16所示。该阶段锻件整体晶粒尺寸长大不明显,主要是因为锻件的形状扁、薄,散热快,有效抑制了晶粒的长大。在辐板中心部位D处,由于该部位较厚,散热缓慢,高温时间段较长,为晶粒的长大提供了条件,晶粒尺寸增加较大,该部位结点P₄的晶粒尺寸由9 μm增大至13.7 μm,增加了52.2%。

3 结论

(1)通过Gleeble热压缩实验,建立GH4169材料的流变应力本构模型;借助有限元软件中的集成模块,对锻件成形全过程进行集成模拟;并分析了各个工序中锻件晶粒尺寸的演变过程,为锻件工艺优化提供了更可靠的依据。

(2)GH4169涡轮盘锻件热模锻成形过程,微观组织晶粒主要在预热和热模锻工序处发生较大变化,晶粒的演变机制主要以晶粒的长大和再结晶为主。降低锻件预热过程和转移过程中的时间是减小锻件晶粒尺寸、提升锻件性能的重要途径。

(3)锻件成形全过程的集成模拟,考虑传统锻造模拟过程对重要步骤的忽视和不足,其结果更准确、更贴近实际,实现了锻件从“成形—成性”的一体化制造。

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